Hyperspectral Unmixing Overview: Geometrical, Statistical, and Sparse Regression-Based Approaches

Imaging spectrometers measure electromagnetic energy scattered in their instantaneous field view in hundreds or thousands of spectral channels with higher spectral resolution than multispectral cameras. Imaging spectrometers are therefore often referred to as hyperspectral cameras (HSCs). Higher spectral resolution enables material identification via spectroscopic analysis, which facilitates countless applications that require identifying materials in scenarios unsuitable for classical spectroscopic analysis. Due to low spatial resolution of HSCs, microscopic material mixing, and multiple scattering, spectra measured by HSCs are mixtures of spectra of materials in a scene. Thus, accurate estimation requires unmixing. Pixels are assumed to be mixtures of a few materials, called endmembers. Unmixing involves estimating all or some of: the number of endmembers, their spectral signatures, and their abundances at each pixel. Unmixing is a challenging, ill-posed inverse problem because of model inaccuracies, observation noise, environmental conditions, endmember variability, and data set size. Researchers have devised and investigated many models searching for robust, stable, tractable, and accurate unmixing algorithms. This paper presents an overview of unmixing methods from the time of Keshava and Mustard's unmixing tutorial [1] to the present. Mixing models are first discussed. Signal-subspace, geometrical, statistical, sparsity-based, and spatial-contextual unmixing algorithms are described. Mathematical problems and potential solutions are described. Algorithm characteristics are illustrated experimentally.Comment: This work has been accepted for publication in IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensin

Nonlinear unmixing of hyperspectral images: Models and algorithms

When considering the problem of unmixing hyperspectral images, most of the literature in the geoscience and image processing areas relies on the widely used linear mixing model (LMM). However, the LMM may be not valid, and other nonlinear models need to be considered, for instance, when there are multiscattering effects or intimate interactions. Consequently, over the last few years, several significant contributions have been proposed to overcome the limitations inherent in the LMM. In this article, we present an overview of recent advances in nonlinear unmixing modeling

Interpretable Hyperspectral AI: When Non-Convex Modeling meets Hyperspectral Remote Sensing

Hyperspectral imaging, also known as image spectrometry, is a landmark technique in geoscience and remote sensing (RS). In the past decade, enormous efforts have been made to process and analyze these hyperspectral (HS) products mainly by means of seasoned experts. However, with the ever-growing volume of data, the bulk of costs in manpower and material resources poses new challenges on reducing the burden of manual labor and improving efficiency. For this reason, it is, therefore, urgent to develop more intelligent and automatic approaches for various HS RS applications. Machine learning (ML) tools with convex optimization have successfully undertaken the tasks of numerous artificial intelligence (AI)-related applications. However, their ability in handling complex practical problems remains limited, particularly for HS data, due to the effects of various spectral variabilities in the process of HS imaging and the complexity and redundancy of higher dimensional HS signals. Compared to the convex models, non-convex modeling, which is capable of characterizing more complex real scenes and providing the model interpretability technically and theoretically, has been proven to be a feasible solution to reduce the gap between challenging HS vision tasks and currently advanced intelligent data processing models

Mineral identification using data-mining in hyperspectral infrared imagery

Les applications de l’imagerie infrarouge dans le domaine de la géologie sont principalement des applications hyperspectrales. Elles permettent entre autre l’identification minérale, la cartographie, ainsi que l’estimation de la portée. Le plus souvent, ces acquisitions sont réalisées in-situ soit à l’aide de capteurs aéroportés, soit à l’aide de dispositifs portatifs. La découverte de minéraux indicateurs a permis d’améliorer grandement l’exploration minérale. Ceci est en partie dû à l’utilisation d’instruments portatifs. Dans ce contexte le développement de systèmes automatisés permettrait d’augmenter à la fois la qualité de l’exploration et la précision de la détection des indicateurs. C’est dans ce cadre que s’inscrit le travail mené dans ce doctorat. Le sujet consistait en l’utilisation de méthodes d’apprentissage automatique appliquées à l’analyse (au traitement) d’images hyperspectrales prises dans les longueurs d’onde infrarouge. L’objectif recherché étant l’identification de grains minéraux de petites tailles utilisés comme indicateurs minéral -ogiques. Une application potentielle de cette recherche serait le développement d’un outil logiciel d’assistance pour l’analyse des échantillons lors de l’exploration minérale. Les expériences ont été menées en laboratoire dans la gamme relative à l’infrarouge thermique (Long Wave InfraRed, LWIR) de 7.7m à 11.8 m. Ces essais ont permis de proposer une méthode pour calculer l’annulation du continuum. La méthode utilisée lors de ces essais utilise la factorisation matricielle non négative (NMF). En utlisant une factorisation du premier ordre on peut déduire le rayonnement de pénétration, lequel peut ensuite être comparé et analysé par rapport à d’autres méthodes plus communes. L’analyse des résultats spectraux en comparaison avec plusieurs bibliothèques existantes de données a permis de mettre en évidence la suppression du continuum. Les expérience ayant menés à ce résultat ont été conduites en utilisant une plaque Infragold ainsi qu’un objectif macro LWIR. L’identification automatique de grains de différents matériaux tels que la pyrope, l’olivine et le quartz a commencé. Lors d’une phase de comparaison entre des approches supervisées et non supervisées, cette dernière s’est montrée plus approprié en raison du comportement indépendant par rapport à l’étape d’entraînement. Afin de confirmer la qualité de ces résultats quatre expériences ont été menées. Lors d’une première expérience deux algorithmes ont été évalués pour application de regroupements en utilisant l’approche FCC (False Colour Composite). Cet essai a permis d’observer une vitesse de convergence, jusqu’a vingt fois plus rapide, ainsi qu’une efficacité significativement accrue concernant l’identification en comparaison des résultats de la littérature. Cependant des essais effectués sur des données LWIR ont montré un manque de prédiction de la surface du grain lorsque les grains étaient irréguliers avec présence d’agrégats minéraux. La seconde expérience a consisté, en une analyse quantitaive comparative entre deux bases de données de Ground Truth (GT), nommée rigid-GT et observed-GT (rigide-GT: étiquet manuel de la région, observée-GT:étiquetage manuel les pixels). La précision des résultats était 1.5 fois meilleur lorsque l’on a utlisé la base de données observed-GT que rigid-GT. Pour les deux dernières epxérience, des données venant d’un MEB (Microscope Électronique à Balayage) ainsi que d’un microscopie à fluorescence (XRF) ont été ajoutées. Ces données ont permis d’introduire des informations relatives tant aux agrégats minéraux qu’à la surface des grains. Les résultats ont été comparés par des techniques d’identification automatique des minéraux, utilisant ArcGIS. Cette dernière a montré une performance prometteuse quand à l’identification automatique et à aussi été utilisée pour la GT de validation. Dans l’ensemble, les quatre méthodes de cette thèse représentent des méthodologies bénéfiques pour l’identification des minéraux. Ces méthodes présentent l’avantage d’être non-destructives, relativement précises et d’avoir un faible coût en temps calcul ce qui pourrait les qualifier pour être utilisée dans des conditions de laboratoire ou sur le terrain.The geological applications of hyperspectral infrared imagery mainly consist in mineral identification, mapping, airborne or portable instruments, and core logging. Finding the mineral indicators offer considerable benefits in terms of mineralogy and mineral exploration which usually involves application of portable instrument and core logging. Moreover, faster and more mechanized systems development increases the precision of identifying mineral indicators and avoid any possible mis-classification. Therefore, the objective of this thesis was to create a tool to using hyperspectral infrared imagery and process the data through image analysis and machine learning methods to identify small size mineral grains used as mineral indicators. This system would be applied for different circumstances to provide an assistant for geological analysis and mineralogy exploration. The experiments were conducted in laboratory conditions in the long-wave infrared (7.7μm to 11.8μm - LWIR), with a LWIR-macro lens (to improve spatial resolution), an Infragold plate, and a heating source. The process began with a method to calculate the continuum removal. The approach is the application of Non-negative Matrix Factorization (NMF) to extract Rank-1 NMF and estimate the down-welling radiance and then compare it with other conventional methods. The results indicate successful suppression of the continuum from the spectra and enable the spectra to be compared with spectral libraries. Afterwards, to have an automated system, supervised and unsupervised approaches have been tested for identification of pyrope, olivine and quartz grains. The results indicated that the unsupervised approach was more suitable due to independent behavior against training stage. Once these results obtained, two algorithms were tested to create False Color Composites (FCC) applying a clustering approach. The results of this comparison indicate significant computational efficiency (more than 20 times faster) and promising performance for mineral identification. Finally, the reliability of the automated LWIR hyperspectral infrared mineral identification has been tested and the difficulty for identification of the irregular grain’s surface along with the mineral aggregates has been verified. The results were compared to two different Ground Truth(GT) (i.e. rigid-GT and observed-GT) for quantitative calculation. Observed-GT increased the accuracy up to 1.5 times than rigid-GT. The samples were also examined by Micro X-ray Fluorescence (XRF) and Scanning Electron Microscope (SEM) in order to retrieve information for the mineral aggregates and the grain’s surface (biotite, epidote, goethite, diopside, smithsonite, tourmaline, kyanite, scheelite, pyrope, olivine, and quartz). The results of XRF imagery compared with automatic mineral identification techniques, using ArcGIS, and represented a promising performance for automatic identification and have been used for GT validation. In overall, the four methods (i.e. 1.Continuum removal methods; 2. Classification or clustering methods for mineral identification; 3. Two algorithms for clustering of mineral spectra; 4. Reliability verification) in this thesis represent beneficial methodologies to identify minerals. These methods have the advantages to be a non-destructive, relatively accurate and have low computational complexity that might be used to identify and assess mineral grains in the laboratory conditions or in the field